KR100270623B1 - 유도전동기의 벡터 제어장치 - Google Patents

유도전동기의 벡터 제어장치 Download PDF

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쯔구도시 오오다니
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기구치 고
가부시키가이샤 야스가와덴끼
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Abstract

인버터가 접속되고, 전동측뿐만 아니라, 회생측에서도 사용되는 유도전동기의 벡터 제어장치에, 유도전동기가 저속도이고 또한 회전자 전기(電氣) 각속도 지령과 슬립 각속도 지령의 부호가 서로 다르다는 것을 검출하는 검출수단과 유도전동기가 저속도이고 또한 회전자 전기 각속도 지령과 슬립 각속도 지령의 부호가 서로 다를 경우, 자속의 각속도 지령에 슬립 각속도 지령을 포함하지 않는 제어수단이 설치되어 있다.

Description

[발명의 명칭]
유도전동기의 벡터 제어장치
[도면의 간단한 설명]
제1도는 PG 레스 시스템의 종래예의 개략 블럭도이다.
제2도는 제1도 중의 벡터 제어장치(3)의 블럭도이다.
제3도는 유도전동기의 비대칭 T형 등가회로를 나타내는 도면이다.
제4도는 본 발명의 제1실시예의 벡터 제어장치의 블럭도이다.
제5도는 제4도 중의 검출회로(40)와 스위치(30)의 회로도이다.
제6도는 본 발명의 제2실시예의 벡터 제어장치의 블럭도이다.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 목적]
본 발명은 인버터가 접속되고 전동측 뿐만 아니라 회생측에서도 사용되는 유도전동기의 벡터 제어장치에 관한다.
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
유도전동기의 가변속 제어로서 응답성과 정밀도의 양자에 뛰어난 슬립(slip) 주파수 제어 방식이 알려져 있고, 특히 전동기의 일차 전류를 여자(勵磁)전류와 토오크전류로 나누어 제어하고, 이차 자속과 토오크전류를 항상 직교하게끔 제어하므로써 직규 전동기와 동등의 응답성을 얻을 수 있는 벡터 제어방식이 실시되어, 요사이 속도 센서를 제거(이하 PG 레스(PG-less)라 약함)하여, 단순화와 내환경성의 향상이 도모되고 있다.
이러한 PG 레스의 유도전동기 제어장치는, 통상 제1도에 도시된 것 처럼, 교류전원을 직류로 변환하는 다이오드와 콘덴서로 이루어진 콘버터(변환기)부와, U, V, W의 각상(各相)의 전류 제어기 출력의 전압지령을 사이리스터(thyristor)나 IGBT등의 스위칭 소자를 사용하여 PWM 신호로 변조하고, 교류전압을 발생하는 인버터(역변환기)부로 이루어진 전압형 PWM 인버터(1), 유도전동기(2)의 U, V, W의 각 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출기(101),(102),(103), U, V, W의 각각의 상간(相間)의 전압을 검출하는 전압검출기(11), 벡터 제어를 하는 벡터 제어장치(3) 및 지령발생기(19)로 이루어진다.
제2도는 제1도 중의 벡터 제어장치(3)의 블럭도이다.
이 벡터 제어장치(3)는, 계수기(4)와 적분기(積分器)(5)와 위상(θφ*)을 입력으로 하고 exp(jθφ*) 즉, cos θφ*+ jsinθφ*를 발생하는 함수발생기(6)와, 자속 벡터의 방향(이하, 「d축」이라 칭함)과 이에 직교하는 방향(이하 「q축」이라 칭함)으로 성분을 갖는 벡터를 U, V, W 상(相)의 서로 120°의 위상차를 갖는 방향의 성분으로 변환하는 2상/3상 변환기(7)와 d축 성분(α)과 q축 성분(β)에 대한 r = α + jβ의 벡터 즉, 진폭 ｜r｜ = (α2+ β2)1/2, 위상 tan-1(β/α)을 연산하는 벡터 연산기(8)와, 벡터(r)와 exp(jθφ*)를 입력으로 하고 위상을 θφ*+ tan-1(β/α)로 하는 벡터 회전기(9)와, 전압 검출기(11)에서 얻은 1차 전압 벡터(V1) 및 전류검출기(101),(102),(103)에서 얻은 1차 전류 백터(i1)에 의해 자속 및 토오크전류를 검출하는 자속연산부(12)와, 자속연산부(12)에서 얻은 토오크전류 검출치(Iτ)와 토오크전류 지령치(Iτ*)로부터 회전자 전기 각속도를 추정하는 속도추정부(13)와, 회전자 전기 각속도의 크기에 의해 약해진 계자(界磁)를 행하는 자속 지령발생부(14)와, 제산기(151),(152)와 지령발생기(19)에서 지령된 속도지령(ωr*)과 속도추정치의 편차를 영으로 하기 위하여 마련하고, PI 제어를 행하는 속도제어기(16)와, 자속지령(φ2 *)과 검출된 자속(φ2)의 자속편차(Δφ2)를 영으로 하기 위해 마련하고, PI 제어를 행하는 자속제어기(17)와 U, V, W의 각 상 마다에 1차 전류의 지령치와 검출치의 편차를 영으로 하게끔 마련하고, P 제어를 하는 전류제어기(181),(182),(183)와 감산기(201)∼(205)와 가산기(21)로 이루어진다.
토오크전류 지령(Iτ*)은 속도제어기(16)의 출력으로서 구해진 토오크지령(T*)을 자속지령 발생기(14)의 출력으로서 구해지는 자속지령(φ2*)으로 제산함에 의해 구해진다. 여자전류 지령(Iφ*)은 자속제어기(17)의 출력으로서 구해진다.
다음에, 본 발명의 종래예의 동작에 대해 설명한다.
유도전동기(2)의 전압, 전류의 관계는, 전동기 정수를 제3도에 나타낸 비대칭 T형 등가회로로 하면, 정지 좌표계에 있어서 (1)식으로 표시된다.
R : 각 상의 저항
L1, M : 자기 및 상호 인덕턴스
ωr: 속도 p : 미분연산자
첨자1,2: 1차 및 2차
또한, 이차 쇄교자속(φ2)과 여자전류(iφ)에 대해서는 각각 (2)식, (3)식에 표시되어 있다.
φ2= M(i1+ i2) ... (2)
iφ = i1+ i1... (3)
(1)식은, (2), (3)식을 써서 (4), (5)식에 전개된다.
V1+ (R1+ l·p) ·i1+ p·φ2... (4)
O = R2·i2+ (p-jωr)·φ2... (5)
ℓ : 전체누설 인덕턴스( = L1- M)
다음에, 자속의 회전 좌표상에서 생각하여, 단위자속 벡터를 θφ라 하면, 1차 전류(i1), 2차 전류(i2)는 각각 (6),(7)식으로 표시된다.
i1= (Iφ + jIτ)· θφ ... (6)
i2= -(1/R2)·{p·φ2+ j(ωφ - ωr)·φ2}·θφ ...... (7)
단, θφ = exp(jθφ*), θφ : 자속 벡터의 각도, ωφ : 자속 각속도
(6)식중, Iφ + jIτ의 지령의 연산은 벡터 연산기(8), θφ는 함수발생기(6)에 의해 각각 연산된다. 벡터 회전기(9)는 이들 두개의 요소를 입력으로 하고, 1차 전류지령(i1 *)을 (6)식에 대응하는 지령치로서 연산하여, 출력한다.
또는, 토오크전류 지령(Iτ*)과 슬립 각속도 지령(ωs*)은 다음의 (8)식의 관계에 있고,
ωs*= R*·Iτ*/φ2... (8)
제산기(152)와 계수기(4)를 써서 연산되고, 자속 벡터의 각도지령(θφ*)은 (9)식에 의해
θφ*= ∫ωφ*dt=()+ωs*)/P... (9)
속도추정부(13)의 출력인 속도추정치와 (8)식으로 구한 슬립 각속도 지령(ωs*)의 합을 적분기(5)에 의해 적분하므로써 구해진다.
벡터 회전기(9)의 출력치인 1차 전류지령(i1 *)은 2상 / 3상 변환기(7)에 의해 U, V, W 상으로 변환되고, 전체누설(101),(102),(103)으로부터 검출된 각 상의 전류검출치와의 각각의 차를 전류제어기(181),(182),(183)에 입력하고, P 제어된 결과를 전압형 PWM 인버터(1)로의 전압지령치로서 출력한다.
전압형 PWM 인버터(1)에서는 그의 값을 PWM 신호로 변조하고, 유도전동기(2)로 출력한다. 또한 U, V, W 상의 각 상 간의 전압은, 전압검출기(11)에 의해 검출되고, 1차 전류 검출치와 함께 저속연산부(12)의 입력이 된다.
자속연산부(12)에서는 입력된 1차 전압(V1)의 적분치에서 1차 저항과 누설인덕턴스에서의 전압강하분을 보상하게끔 자속벡터(φ2)를 (10)식으로 토오크를 (11)식으로 연산한다.
Im : 허수부 연산기호
: φ2의 공역 복수(共役 複數) 벡터
P : 모터극수
(10)식의 φ2의 진폭치를 자속검출치(φ2)로서 구한후, (11)식을 이 φ2로 나누어 토오크전류 검출치(Iτ)로 한다.
이상과 같이 하여, PG 레스에서의 벡터 제어가 행해진다.
그런데, 상술한 종래 기술에서는 유도전동기가 저속도로 운전되는 동안, 운전 방향으로 부하가 걸린 경우(회생상태), 자속 각속도(ωφ)의 절대치가 작아져서, 자속검출의 정밀도가 저하 되고, 그 때문에 안정성이 열화되어 탈조(脫調)하기 쉽게 된다는 문제점이 있다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
본 발명의 목적은, 유도전동기의 저속도에서의 희생상태 시의 운전을 안정하게 하는, 모두에 기재한 종류의 유도전동기의 벡터 제어장치를 제공하는 것이다.
[발명의 구성 및 작용]
본 발명의 제1의 유도전동기의 벡터 제어장치는, 유도전동기가 저속도이고, 또한 회전자 전기(電氣) 각속도 지령과 슬립 각속도 지령의 부호가 서로 다르다는 것을 검출하는 검출수단과, 상기 유도전동기가 자속도에서, 또한 회전자 전기 각속도 지령과 슬립 각속도 지령의 부호가 서로 다른 경우, 자속의 각속도 지령에 슬립 각속도 지령을 포함시키지 않는 제어수단을 갖는다.
본 발명의 제2의 유도전동기의 벡터 제어장치는, 유도전동기가 저속도에서, 또한 회전자 전기 각속도 지령과 슬립 각속도 지령의 부호가 서로 다르다는 것을 검출하는 검출수단과, 상기 유도전동기가 저속도이고, 또한 회전자 전기 각속도 지령과 슬립 각속도 지령의 부호가 서로 다른 경우, 지시된 회전자 전기 각속도 지령으로부터 슬립 각속도 지령을 빼고, 이것을 새로운 회전자 전기 각속도 지령으로 하는 제어수단을 갖는다.
유도전동기의 저속도의 회생상태 [속도지령(ωs*)과 슬립 각속도 지령(ωs*)이 다른 부호]에서는, 슬립 각속도 지령(ωs*)을 자속 각속도 지령(ωφ*)에 포함시키지 않음으로서, 본래 보다도 절대치의 큰 자속 각속도 지령(ωφ*)을 주어, 유도전동기의 회전 속도를 높이므로서 자속 각속도(ωφ)의 절대치가 내려가지 않게 되고, PG 레스 시스템에서의 벡터 제어의 안정성이 향상된다. 또한, 속도 지령(ωr*)로부터 슬립 각속도 지령(ωs*)을 뺀 것을 새로운 속도 지령(ωr*)으로 하므로서, 속도지령(ωr*)의 절대치를 슬립 각속도 지령(ωs*)의 절대치분을 크게 주어, 유도전동기의 회전속도를 높임에 의해, 자속 각속도(ωφ)의 절대치가 내려가지 않게 되고, PG 레스 시스템에서의 벡터 제어의 안정성이 향상된다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
다음에, 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
제4도는 본 발명의 제1실시예의 유도전동기의 벡터 제어장치의 블럭도, 제5도는 제4도중의 스위치(30) 및 검출회로(40)의 회로도이다. 제4도에 있어서, 제2도에서와 같은 구성 요소에는 같은 참조번호가 부여되어 있다.
본 실시예가 종래의 예(제2도)와 다른점은, 계수기(4)와 속도추정치와 슬립 각속도 지령(ωs*)의 가산기(21)의 사이에 스위치(30)(제어수단)를 설치하고, 다시 이 스위치(30)를 온/오프 하는 검출회로(40)(검출수단)를 설치한 점이다.
검출회로(40)는, 제5도에 표시한 것처럼, 승산기(41)와 절대치회로(42)와, 비교기(431),(432)와 AND 회로(44)로 구성되어 있다. 승산기(41)는 속도지령(ωr*)과 토오크전류 지령(Iτ*)의 적(積)을 구한다.
절대치회로(42)는 자속 각속도 지령(ωφ*)의 절대치를 출력한다. 비교기(431)는 속도지령(ωr*)과 토오크전류 지령(Iτ*)의 적을 영과 비교하고, 영보다 작으면(회생상태), 하이 레벨의 신호, 영보다 크면(전동상태), 로우 레벨의 신호를 출력한다.
비교기(432)는 ｜ωφ*｜를 기준치와 비교하고, ｜ωφ*｜가 기준치 보다 적지 않으면 하이 레벨의 신호, ｜ωφ*｜가 기준치 보다 크지 않으면 로우 레벨의 신호를 출력한다.
AND 회로(44)는 양 비교기(431),(432)의 출력을 입력하고, 유도전동기(2)가 회생상태, 또한 자속 각속도 지령(ωφ*)이 기준치 이하일 때에 하이 레벨의 신호를 출력하고, 스위치(30)의 단자(303)를 단자(302),(접지 전위)에 접속한다. 이 이외의 경우, 단자(303)는 단자(301)와 접속되고, 종래의 예와 같아진다.
따라서, 저속도에서의 회생상태 시, 슬립 각속도 지령(ωs*)이 자속 각속도 지령(ωφ*)에 포함되지 않기 때문에 즉, 본래보다도 절대치의 큰 자속 각속도 지령(ωφ*)이 주어져서, 유도전동기(2)의 회전 속도가 높아지기 때문에, 자속 각속도(ωφ)의 절대치가 내려가지 않게 되고, PG 레스 시스템에서의 안정성이 향상된다.
제6도는 본 발명의 제2실시예의, 유도전동기의 벡터 제어장치의 블럭도이다.
본 실시예는, 스위치(30)를 계수기(4)의 출력측과 속도제어기(16)의 입력측 사이에 설치하고, 유도전동기(2)가 회생상태이고 또한 자속 각속도 지령(ωφ*)이 기준치 이하일때 검출회로(40)에 의해 스위치(30)를 절환하여, 단자(303)를 단자(301)와 접속하고, 감산기(206)에서 각속도 지령(ωr*)으로부터 슬립 각속도 지령(ωs*)을 뺀 것을 새로운 각속도 지령(ωr*)으로 한 것이다. 즉, 각속도 지령(ωr*)의 절대치를 슬립 각속도 지령(ωs*)의 절대치분을 크게 주어, 유도전동기(2)의 회전 속도를 높임으로서 자속 각속도(ωφ)의 절대치가 내려가지 않게 되고, PG 레스 시스템에서의 벡터 제어의 안정성이 향상된다.
본 실시예에서는, 스위치(30)와 감산기(206)가 제어수단을 구성하고 있다.
제1, 제2의 실시예와 함께, 회생상태의 판단만으로 토오크전류 지령(Iτ*)을 사용하였지만, 자속지령(φ2 *)과 계수기(4)는 항상 정치(正値)에서 슬립 각속도 지령(ωs*)을 사용한 것과 아주 마찬가지의 결과가 얻어진다.
또한, 검출회로(40)의 입력 신호로서 속도 지령(ωr*) 대신에 속도 추정치를, 토오크전류 지령(Iτ*)의 대신에 토오크전류 검출치(Iτ)를 써도 좋다.
더우기 종래예, 실시예는 슬립 주파수형 PWM 인버터 제어장치에 적용한 경우를 나타내었지만, 본 발명은 자속 위상 기준형 PWM 인버터 제어장치에서도 적용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 인버터에 접속되고 전동측뿐만 아니라 회생측에서도 사용되는 유도전동기의 벡터 제어장치에 있어서, 상기 유도전동기가 저속도이고 또한 회전자 전기 각속도지령과 슬립 각속도 지령의 부호가 서로 다르다는 것을 검출하는 검출수단과, 상기 유도전동기가 저속도이고, 또한 회전자 전기 각속도 지령과 슬립 각속도 지령의 부호가 서로 다를 경우 자속의 각속도 지령에 슬립 각속도 지령을 포함시키지 않는 제어수단을 갖는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 벡터 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 검출수단은, 속도지령(ωr*)과 토오크전류 지령(Iτ*)의 적(積)을 구하는 승산기와, 자속 각속도 지령(ωφ*)의 절대치을 출력하는 절대치 회로와, 속도지령(ωr*)과 토오크전류 지령(Iτ*)의 적을 영과 비교하는 제1 비교기와, 자속 각속도 지령(ωφ*)의 절대치를 기준치와 비교하는 제2 비교기와, 제1 비교기의 출력과 제2 비교기의 출력을 입력, 속도지령(ωr*)과 토오크전류 지령(Iτ*)의 적이 영보다 작고, 또한 자속 각속도 지령(ωφ*)의 절대치가 기준치보다 클때 소정의 논리 레벨의 신호를 출력하는 게이트 회로로 구성되고, 상기 제어수단은 슬립 각속도 지령(ωs*)과 속도 지정치(ωr)를 가산하여 자속 각속도 지령(ωφ*)을 출력하는 가산기의 전단에 설치되고, 상기 게이트 회로로부터 상기 소정의 논리 레벨 신호가 출력되지 않으면 상기 슬립 각속도 지령(ωs*)을 상기 가산기에 입력하고 상기 소정의 논리 레벨 신호가 출력되면 상기 슬립 각속도 지령(ωs*) 대신에 영을 상기 가산기에 입력하는 스위치인 것을 특징으로 하는 유도전동기의 벡터 제어장치.
  3. 인버터에 접속되고, 전동측뿐만 아니라 회생측에서도 사용되는 유도전동기의 벡터 제어장치에 있어서, 상기 유도전동기가 저속도이고 또한 회전자 전기 각속도 지령과 슬립 각속도 지령의 부호가 서로 다르다는 것을 검출하는 검출수단과, 상기 유도전동기가 저속도이고, 또한 회전자 전기 각속도 지령과 슬립 각속도 지령의 부호가 서로 다를 때 지시된 회전자 전기 각속도 지령으로부터 슬립 각속도 지령을 빼고, 이것을 새로운 회전자 전기 각속도 지령으로 하는 제어수단을 갖는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 벡터 제어장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 검출수단은, 속도지령(ωr*)과 토오크전류 지령(Iτ*)의 적을 구하는 승산기와, 자속 각속도 지령(ωφ*)의 절대치를 출력하는 절대치 회로와, 속도지령(ωr*)과 토오크전류 지령(Iτ*)의 적을 영과 비교하는 제1 비교기와, 자속 각속도 지령(ωφ*)의 절대치를 기준치와 비교하는 제2 비교기와, 제1 비교기의 출력과 제2 비교기의 출력을 입력, 속도지령(ωr*)과 토오크전류 지령(Iτ*)의 적이 영보다 작고, 또한 자속 각속도 지령(ωφ*)의 절대치가 기준치보다 클때 소정의 논리 레벨의 신호를 출력하는 게이트 회로로 구성되고, 상기 제어수단은, 속도지정치(ωr*)로부터 슬립 각속도 지령(ωs*)을 감산하는 감산기의 전단에 설치되고 상기 게이트 회로에서 상기 소정의 논리 레벨의 신호가 출력되지 않으면, 상기 슬립 각속도 지령(ωs*) 대신에 영을 입력하고, 상기 소정의 논리 레벨 신호가 출력되면, 상기 슬립 각속도 지령(ωs*)을 상기 감산기에 입력하는 스위치임을 특징으로 하는 유도전동기의 벡터 제어장치.
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